核心概念
生物學
生物化學
酶
生理學
化學
引言
你有沒有想過你吃的所有食物是如何被消化的？不僅僅是胃裡的酸分解你的食物——你體內許多被稱為酶的小分子也有助於消化。酶是特殊型別的蛋白質，它們加速化學反應，例如胃中食物的消化。事實上，你的體內有數千種不同的酶，它們晝夜不停地工作，以保持你的健康和活力。在這個科學活動中，你將研究其中一種叫做過氧化氫酶的酶，以瞭解它是如何幫助保護你的身體免受傷害的。
背景
酶對我們的生存至關重要。這些由我們的細胞產生的蛋白質，有助於轉化我們體內的化學物質，充當催化劑。催化劑啟動反應並使它們更快發生，透過提高反應速率，否則這些反應可能根本不會發生，或者需要太長時間才能維持生命。然而，催化劑本身並不參與反應——那麼這是如何工作的呢？每個化學反應都需要最少的能量才能發生。這種能量被稱為活化能。反應的活化能越低，發生的速度就越快。如果活化能太高，反應就不會發生。
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酶能夠透過與其反應物（參與反應的化學物質）相互作用來降低化學反應的活化能。每種酶都有一個活性位點，反應發生的地方。這些位點就像特殊的口袋，能夠結合化學分子。酶與之反應的化合物或分子被稱為其底物。酶口袋具有特殊的形狀，因此只有一種特定的底物能夠與其結合，就像只有一把鑰匙適合特定的鎖一樣。一旦分子與酶結合，化學反應就會發生。然後，反應產物從口袋中釋放出來，酶就可以用另一個底物分子重新開始了。
過氧化氫酶是一種非常常見的酶，幾乎存在於所有暴露於氧氣的生物體中。過氧化氫酶在活細胞中的作用是保護它們免受氧化損傷，當細胞或體內其他分子與氧化化合物接觸時可能會發生氧化損傷。這種損傷是細胞內發生的反應的自然結果。這些反應可能包括諸如過氧化氫之類的副產物，過氧化氫可能對身體有害，就像美好的篝火的副產物可能是不受歡迎的煙霧，會讓你咳嗽或刺痛你的眼睛一樣。為了防止這種損害，過氧化氫酶透過將過氧化氫 (H2O2) 分解為無害的水和氧氣來幫助清除這些化合物。你想看看過氧化氫酶的作用嗎？在這個活動中，你將在酵母過氧化氫酶的幫助下解除過氧化氫的武裝。
材料
安全護目鏡或防護眼鏡
五茶匙洗碗液
一包乾酵母
過氧化氫，3%（至少 100 毫升）
三湯匙
一茶匙
五個 16 盎司一次性塑膠杯
自來水
量杯
永久性記號筆
紙巾
可以被弄溼的工作區域（不會被任何灑出的過氧化氫或有色水損壞）
食用色素（可選）
準備工作
取一個杯子，將乾酵母溶解在約半杯溫熱自來水中。水不應太熱，但應接近體溫（37 攝氏度）。讓溶解的酵母靜置至少五分鐘。
用永久性記號筆將剩餘的四個杯子從一到四標記。
在所有標記的杯子中，加入一茶匙洗碗液。
此時，杯子一中不再新增其他物質。
在使用過氧化氫之前，戴上安全護目鏡以保護您的眼睛。如果您灑出過氧化氫，請用溼紙巾擦乾淨。如果沾到您的皮膚上，請確保用大量的水沖洗受影響的區域。
在杯子二中，加入一湯匙 3% 過氧化氫溶液。使用一個新的勺子盛放過氧化氫。
在杯子三中，加入兩湯匙過氧化氫。
在杯子四中，加入三湯匙過氧化氫。
或者，您可以向每個標記的杯子中新增一滴食用色素。（您可以為每個杯子選擇不同的顏色，以便於識別）
步驟
拿起一號杯，將其放在您面前的工作區上。用一個乾淨的湯匙，向杯中加入一湯匙溶解的酵母溶液並稍微攪拌一下。加入酵母后會發生什麼？你看到有反應發生嗎？
將二號杯放在您面前，再次向杯中加入一湯匙酵母溶液。一旦加入酶，過氧化氫酶會與過氧化氫發生反應嗎？你能看到反應產物正在形成嗎？
向三號杯加入一湯匙酵母溶液。你看到同樣的反應發生嗎？與二號杯相比，結果是不同的還是相同的？
最後，向四號杯加入一湯匙酵母溶液。與您之前的實驗結果相比，您看到的反應產物更多還是更少？您能解釋其中的差異嗎？
將所有四個杯子彼此相鄰地放在您面前，並觀察您的結果。酶促反應是否在所有杯子中都發生，還是存在例外？每個杯子中的結果看起來有什麼不同？您認為這是為什麼？
現在，拿起一號杯，向杯中加入一湯匙額外的 3% 過氧化氫。稍微攪拌一下杯子以混合溶液。現在發生了什麼？縱觀您的所有實驗結果，您認為您杯子中過氧化氫酶反應的限制因素是什麼？
額外：重複此活動，但這次不要向所有反應中新增洗碗液。一旦去除洗碗液，會有什麼不同？您仍然看到泡沫形成嗎？
額外：到目前為止，您已經觀察到底物 (H2O2) 濃度對過氧化氫酶反應的影響。如果保持底物濃度不變但改變酶的濃度會發生什麼？嘗試向三湯匙過氧化氫中新增不同量的酵母溶液，從一茶匙開始。您觀察到任何差異嗎，或者過氧化氫酶的濃度在您的反應中是否無關緊要？
額外：如果酶的環境條件發生變化會發生什麼？重複過氧化氫酶反應，但這次改變條件，例如透過新增醋（一種酸）或小蘇打（一種鹼）來改變 pH 值，或者透過在微波爐中加熱溶液來改變反應溫度。您能確定哪些條件對於過氧化氫酶反應是最佳的嗎？是否存在任何消除過氧化氫酶活性的條件？
額外：您能找到可以在此活動中使用的其他過氧化氫酶來源嗎？研究哪些其他生物體、植物或細胞含有過氧化氫酶，並嘗試將其用於您的反應。它們和酵母的效果一樣好嗎？
觀察和結果
您可能在此活動中看到了大量的氣泡和泡沫。是什麼讓泡沫出現的？當酶過氧化氫酶與其底物過氧化氫接觸時，它開始將其分解為水和氧氣。氧氣是一種氣體，因此想要逸出液體。然而，您新增到所有溶液中的洗碗液能夠捕獲氣泡，從而形成穩定的泡沫。只要溶液中存在酶和過氧化氫，反應就會繼續，併產生泡沫。一旦其中一種化合物耗盡，產物的形成就會停止。如果您不向反應中新增洗碗液，您會看到產生氣泡，但不會形成穩定的泡沫。
如果沒有過氧化氫，過氧化氫酶就無法發揮作用，這就是為什麼在一號杯中您不應該看到任何氣泡或泡沫產生。只有當過氧化氫存在時，過氧化氫酶反應才能發生，正如您可能在其他杯子中觀察到的那樣。事實上，過氧化氫酶反應依賴於底物濃度。如果您有過量的酶，但底物不足，則該反應將受到底物可用性的限制。一旦您向溶液中新增更多的過氧化氫，反應速率就會增加，因為更多的底物分子可以與酶碰撞，形成更多的產物。結果是隨著您增加反應中 H2O2 的量，您的杯子中產生的泡沫量會增加。一旦您向一號杯中新增另一湯匙過氧化氫，您應該會看到產生更多的泡沫，這應該導致與二號杯中相似的泡沫量。然而，在某個時候，您將達到一個底物濃度，在該濃度下，酶會飽和併成為限制因素。在這種情況下，您必須新增更多的酶才能再次加速反應。
許多其他因素也會影響酶的活性。大多數酶僅在最佳環境條件下起作用。如果 pH 值或溫度偏離這些條件太多，酶反應會顯著減慢或根本不起作用。您可能在執行步驟中的額外步驟時已經注意到這一點。
清理
將所有溶液倒入水槽中，並用溫水和洗碗液清潔所有勺子。用溼紙巾擦拭您的工作區域，並用肥皂和水洗手。
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